公路施工安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

楊遠洪 賈曉坤

收稿日期：2024-03-14

作者簡介：楊遠洪（1987—），男，本科，高級工程師，研究方向：公路工程附屬設(shè)施施工及設(shè)計。

摘要 針對涉路施工中因來往車輛給施工人員造成的安全隱患，現(xiàn)有預(yù)警裝置多以警示燈、警戒牌、警戒線等形式出現(xiàn)，這些設(shè)施僅對來往車輛起到警示作用，施工工人卻無法即時感知。為此，文章提出了一種能使施工工人主動感知危險信號的預(yù)警系統(tǒng)。基于主動探測的設(shè)計原則，通過在施工道路養(yǎng)護區(qū)域前設(shè)置三級路障，并在路障上安裝測速裝置，利用ZigBee無線傳輸協(xié)議將速度信號傳遞給施工工人的馬甲，馬甲上的震動反饋模塊會根據(jù)速度值的大小決定是否震動報警以提醒工人；進一步，震動模塊采用PWM控制原理，會根據(jù)超速信號的大小調(diào)整震動強度。此外，文章結(jié)合實際情況中車輛剎車的狀況，以及駕駛員的反應(yīng)時間，通過計算得出各級路障之間設(shè)置的距離以及每一級路障設(shè)置的最小速度閾值，建立了主動預(yù)警系統(tǒng)模型。該模型對降低涉路預(yù)警領(lǐng)域的施工工人危險系數(shù)和完善該領(lǐng)域的預(yù)警方法具有重要意義。

關(guān)鍵詞 涉路預(yù)警；主動探測；ZigBee；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號 U231.3文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0009-03

0 引言

隨著我國的綜合國力增強，各項基礎(chǔ)工程建設(shè)逐漸納入日程，交通工程施工建設(shè)是重要建設(shè)工程之一[1]，而日常的養(yǎng)護和修補作業(yè)是其中的一大重要內(nèi)容。涉路施工工程往往伴隨著道路的半運行化，來往的車輛可能會給施工人員造成極大的安全隱患。因此，涉路建筑工地的安全管理非常重要，需要采取一系列的安全保護措施。目前，工地上大多采取一些傳統(tǒng)的保護措施，比如施工工人戴安全帽，穿施工馬甲，施工工地附近拉警戒線，立警示路障等，但是這些措施只能被動地保護工人安全，當險情真正來臨時，對于正在進行施工養(yǎng)護作業(yè)的工人來說，其警示措施是很容易被忽視的。為了更好地保障工人安全，如何及時發(fā)現(xiàn)風險、預(yù)防風險是城市軌道交通項目施工安全風險管理研究的一個重要課題[2]。采用一種更加主動的預(yù)防措施，即基于施工工地主動預(yù)防的防護系統(tǒng)十分重要。該系統(tǒng)可以對來往車輛進行實時監(jiān)測和預(yù)警，還可以將報警信號傳達到施工工人，從而最大限度地提高施工工人的安全保障水平。

1 主動預(yù)防系統(tǒng)的方案設(shè)計

施工工地主動預(yù)防系統(tǒng)主要由三級智慧路障防護區(qū)、智慧馬甲和無線傳輸系統(tǒng)組成。接近施工區(qū)域的汽車在抵達防護區(qū)時，智慧路障上的測速傳感器會測量到車速，并將此數(shù)值與預(yù)先設(shè)置的最小速度閾值進行比較并判斷，決定是否發(fā)出報警信號，以及是否將該信號通過無線傳輸系統(tǒng)傳輸給智慧馬甲，由智慧馬甲做出對應(yīng)的響應(yīng)，進而實現(xiàn)對施工工人做出警示，提高了施工工地的安全性。

1.1 智慧路障

智慧路障由測速傳感器、無線信號發(fā)射器和上面的警報燈組成。智慧路障設(shè)計為三級的防護區(qū)域，實現(xiàn)梯度預(yù)警，對車輛的不同車速和不同的制動效果做出不同等級的報警效果。具體來說，第一級防護區(qū)域設(shè)置在距離施工工地100 m處，最小速度閾值為100 km/h；第二級防護區(qū)域設(shè)置在距離施工工地50 m處，最小速度閾值為60 km/h；第三級防護區(qū)域設(shè)置在距離施工工地30 m處，最小速度閾值為40 km/h。

這樣設(shè)置的依據(jù)是：首先不計駕駛者的反應(yīng)時間，設(shè)車輛的制動力為F，且有F

上述分析僅基于剎車過程，經(jīng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，普通人遇到險情的反應(yīng)時間約為0.2 s。該文將遇到驚嚇后做出反應(yīng)的時間考慮在內(nèi)，即將反應(yīng)時間延長至1 s，則制動距離為：，得到考慮駕駛員反應(yīng)時間時不同車速下的制動距離。取剎車起始速度為40 km/h、60 km/h和100 km/h三種情況，可以得到制動距離的理論數(shù)值。在實際系統(tǒng)設(shè)置時，每級防護區(qū)路障距離施工工地的距離應(yīng)大于該理論值，并留有一定的余量。因此，可以得到防護區(qū)距離工地的距離和最小速度閾值。

每一級防護區(qū)的路障對抵達該防護區(qū)的車輛速度進行捕獲，將捕獲后的車速與該級防護區(qū)所設(shè)置的最小速度閾值進行比較，如果大于該防護區(qū)的最小速度閾值，那么就會啟動該路障上面設(shè)置的警報燈，警報燈閃爍對該超速車輛進行提示。同時，智慧馬甲通過無線接收方式接收到報警信號，并做出響應(yīng)。

下面對三級防護區(qū)是否執(zhí)行動作并且發(fā)送信號進行討論：

（1）當超過第一級防護區(qū)設(shè)置的最小速度閾值時，該級防護區(qū)執(zhí)行動作，路障警報燈閃爍并發(fā)送信號給智慧馬甲，使智慧馬甲做出報警動作。反之，該級防護區(qū)不執(zhí)行動作。

（2）當車輛的車速滿足第一級動作的條件后，如果滿足第二級防護區(qū)的動作條件，第二級防護區(qū)的路障警報燈閃爍并發(fā)送信號給智慧馬甲。反之，此級路障報警燈不閃爍，但仍發(fā)送信號給智慧馬甲，使智慧馬甲取消報警動作。

（3）當車速滿足第一、二級防護區(qū)設(shè)置的最小速度閾值后，將來到第三級防護區(qū)，若滿足第二級防護區(qū)的動作條件，則第三級防護區(qū)的路障警報燈閃爍并發(fā)送信號給智慧馬甲。反之，此級路障報警燈不閃爍，但仍發(fā)送信號給智慧馬甲，使智慧馬甲取消報警動作。

1.2 智慧馬甲

智慧馬甲由震動反饋模塊、報警指示燈和報警蜂鳴器組成。震動反饋模塊設(shè)置在肩部、肩胛骨處，報警蜂鳴器設(shè)置在肩部，報警指示燈設(shè)置在腹部以及對應(yīng)后背的位置。智慧馬甲具體工作原理對應(yīng)于智慧路障發(fā)送信號的三種狀態(tài)[3]：

（1）第一種狀態(tài)，只有智慧馬甲上的震動反饋模塊執(zhí)行動作。

（2）第二種狀態(tài)，智慧馬甲上的震動反饋模塊和報警指示燈同時作用。

（3）第三種狀態(tài)，智慧馬甲上的震動反饋模塊、報警指示燈以及報警蜂鳴器同時作用。

需要特別說明的是，在智慧馬甲上的三種報警狀態(tài)中都有震動反饋模塊，此模塊的報警邏輯非簡單的數(shù)字量報警，報警的控制邏輯是基于PWM原理進行工作。簡單來說，車速越高，震動反饋的強度越大。

PWM即脈沖寬度調(diào)制原理，是一種用于控制調(diào)節(jié)電子設(shè)備輸出的技術(shù)，通過改變占空比不同的矩形脈沖寬度控制輸出值。該智慧馬甲上所用的震動反饋模塊支持通過該原理對震動強度的調(diào)節(jié)。具體來說，通過改變單片機IO口輸出脈沖的寬度調(diào)節(jié)電壓輸出，對應(yīng)不同的震動強度。控制邏輯為：當智慧路障反饋速度信號給智慧馬甲時，智慧馬甲上的處理器會區(qū)分此信號，判斷該信號來自哪一級防護區(qū)，該區(qū)分方式是通過發(fā)送數(shù)據(jù)的從機地址進行實現(xiàn)；其次處理器會將該速度值與預(yù)先設(shè)定好的最小速度閾值作比較，并進行數(shù)字運算，具體為，將實時速度值同最小速度閾值做差，并將此差值與最小速度閾值的一半作商，得到的結(jié)果即為震動模塊的占空比，即占空比。同最小速度閾值的一半作商的目的是為了放大超速信號，使系統(tǒng)面對超速的反應(yīng)更加靈敏。

1.3 無線傳輸系統(tǒng)

該系統(tǒng)的無線通信技術(shù)使用了ZigBee協(xié)議，該技術(shù)是最近發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù)，功耗低，被業(yè)界認為是最有可能應(yīng)用在工控場合的無線方式[4]。該協(xié)議相比其他無線傳輸協(xié)議的優(yōu)點是功耗低、抗干擾力強、傳輸速度快、實時性強、自組網(wǎng)能力強。雖然相較于藍牙和WiFi，該協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的速率較低，但是在本系統(tǒng)的應(yīng)用場景下，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小，在傳輸速率上體現(xiàn)不出較大的差異性。

具體的通信過程為：ZigBee模塊協(xié)調(diào)器將智慧路障的ZigBee模塊和智慧馬甲上的ZigBee模塊進行組網(wǎng)，智慧路障上的測速傳感器首先通過中央處理器對檢測到的速度數(shù)據(jù)進行處理，再決定是否發(fā)送給智慧馬甲；若智慧馬甲收到數(shù)據(jù)，再經(jīng)過中央處理器對數(shù)據(jù)做處理，最后作出對應(yīng)的動作。

2 軟硬件設(shè)計

2.1 硬件部分

考慮應(yīng)用場景在戶外，所以該系統(tǒng)的供電采用光儲聯(lián)合供電。在白天太陽輻射充裕時，由于光生伏打效應(yīng)在光伏電池產(chǎn)生電壓，通過DC/DC進行降壓轉(zhuǎn)換，一部分電壓加載在一定的負載上產(chǎn)生輸出電流給系統(tǒng)供電，另一部分電能則輸入到電池形成充電電壓。在夜晚沒有太陽輻射時，電池作為主要供電來源，產(chǎn)生放電電流[5]。該設(shè)計降低了功耗與后期維護成本。

該系統(tǒng)的硬件部分分為兩大部分，第一部分是智慧路障，第二部分是智慧馬甲，兩者均采用單片機作為控制中心，都由光儲聯(lián)合供電。此外，智慧路障由ZigBee無線傳輸模塊、報警燈和速度傳感器組成。智慧馬甲由ZigBee無線傳輸模塊、震動模塊、蜂鳴器和報警燈組成。

整個主動預(yù)防系統(tǒng)的工作原理大致為：超速信號被設(shè)置在離施工工地具有一定距離的智慧防護區(qū)進行提前識別，通過ZigBee協(xié)議將處理后的信號發(fā)送給正在施工工地作業(yè)的工人身上的智慧馬甲，對不同程序的危險信號能夠做出不同的報警提示，實現(xiàn)讓施工工人預(yù)先得知危險、提前撤離危險區(qū)域、提高施工安全性的目的。整個系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2.2 軟件部分

施工工地主動預(yù)防系統(tǒng)主程序的流程圖如圖2所示，該系統(tǒng)上電后首先進行裝置初始化，智慧路障上的速度傳感器采集速度數(shù)據(jù)，并在中央處理器里逐級決定是否產(chǎn)生報警信號，并將此信號傳輸給智慧馬甲。若決定發(fā)送報警信號，那么再對通信是否故障進行判斷，若通信沒有故障，則速度值寫入發(fā)送緩存區(qū)，然后由ZigBee模塊發(fā)送緩存區(qū)的數(shù)據(jù)，同時智慧路障上的報警燈閃爍。若低于最小速度閾值，在檢查沒有通信故障后，再由單片機逐級決定是不發(fā)送信號還是發(fā)送震動減弱信號。

施工工地主動預(yù)防系統(tǒng)的子程序流程圖如圖3所示。在智慧馬甲接收數(shù)據(jù)前，首先要判斷是否存在通信故障，如果通信存在故障那么智慧馬甲產(chǎn)生故障報警，需要進行設(shè)備調(diào)試。相反，智慧馬甲可以接收來自智慧路障的報警信號，再進行相應(yīng)的報警任務(wù)。

3 結(jié)語

該文設(shè)計了一種基于施工工地主動預(yù)防的保護系統(tǒng)，由分布在智慧路障和智慧馬甲上的中央處理器和無線通信模塊組成。系統(tǒng)通過測量接近施工工地的車輛速度，由ZigBee無線傳輸模塊發(fā)送和接收車速，最后通過中央處理器對不同的車輛做出多樣化的報警提示信號，進而實現(xiàn)對施工工人在面對車禍險情時的警示。此外，系統(tǒng)還具有通信自檢、故障報警等功能，是一套低成本、智能化、可有效提高施工工人安全性的主動預(yù)防系統(tǒng)。

參考文獻

[1]代華北. 軌道交通工程施工安全監(jiān)控管理信息系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究[J]. 居業(yè)， 2019（2）： 25+29.

[2]商兆濤， 尹志凱， 張紅彬， 等. 城市軌道交通施工安全風險預(yù)警體系研究[J]. 河南科學， 2020（5）： 740-748.

[3]王軍雷， 應(yīng)世杰， 李百川. 高速公路汽車追尾預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)研究[J]. 安全與環(huán)境學報， 2006（4）： 122-125.

[4]周怡颋， 凌志浩， 吳勤勤. ZigBee無線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J]. 自動化儀表， 2005（6）： 5-9.

[5]張純杰， 趙志剛， 高溥. 光儲聯(lián)合供電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計及數(shù)據(jù)預(yù)處理[J]. 電子設(shè)計工程， 2014（20）： 131-134+138.